Evoliucijos procese bakterijos prisitaikė išgyventi nepalankiausiomis aplinkos sąlygomis ir išsaugo paveldimą informaciją formuodami sporas. Bakterijų sporos susidaro ląstelės viduje. Visas dygimo procesas (sporų susidarymas) trunka 18 - 20 valandų. Šio proceso metu bakterijų ląstelėje pasikeičia nemažai biocheminių procesų. Bakterijos gali išlikti sporų pavidalo ilgą laiką – šimtus metų. Esant palankioms aplinkos sąlygoms, sporos sudygsta. Dygimo procesas trunka 4 - 5 valandas.
Sporuliacija atsiranda, kai:
maistinių medžiagų substratas išeikvotas,
trūksta anglies ir azoto,
kalio ir mangano jonai kaupiasi vidinėje ląstelės aplinkoje,
keičiasi aplinkos rūgštingumo lygis ir kt.
Ryžiai. 1. Nuotraukoje pavaizduota spora bakterijos ląstelės viduje (nuotrauka daryta elektroninio mikroskopo šviesoje – EM).
Kokios bakterijos gali sporuliuoti?
Lazdelės formos bakterijos, formuojančios sporas, vadinamos bacilomis.Jie priklauso Bacillaceae šeimai ir yra atstovaujami Clostricdium genčiai, Bacillus genčiai ir Desulfotomaculum genčiai. Visos jos yra gramteigiamos anaerobinės bakterijos.
Clostridium gentis yra daugiau nei 93 bakterijų rūšys. Visi jie sudaro sporas. Clostridium genties patogeninės bakterijos sukelia dujinę gangreną, plaučių gangreną, sukelia komplikacijas po abortų ir gimdymo bei sunkias toksines infekcijas, įskaitant botulizmą. Šios rūšies bakterijų sporos viršija vegetatyvinės ląstelės skersmenį.
Bacillus gentis yra daugiau nei 217 bakterijų rūšių. Patogeninės Bacillus genties bakterijos sukelia daugybę žmonių ir gyvūnų ligų, įskaitant per maistą plintančias ligas ir juodligę. Šios rūšies bakterijų sporos neviršija vegetatyvinės ląstelės skersmens.
Ryžiai. 2. Nuotraukoje pavaizduotos Clostridium genties bakterijos. Kairėje yra Clostridia perfingens. Jie yra apsinuodijimo maistu ir dujų gangrenos sukėlėjai. Dešinėje yra Clostridia botulinum. Bakterijos sukelia sunkią per maistą plintančią ligą – botulizmą.
Ryžiai. 3. Nuotraukoje pavaizduotas juodligės sukėlėjas. Bacillus anthracis gentis Bacillus – didelis, nejudrus, nupjautais galais (kairėje) ir sporinės būklės bakterija (dešinėje).
Prieš susiformuojant pačiai sporai, vegetatyvinės bakterijos ląstelėje sumažėja medžiagų apykaitos lygis, sustoja DNR replikacija, vienas iš nukleotidų lokalizuojasi sporogeninėje zonoje, pradedama sintetinti dipikolino rūgštis.
Sporogeninės zonos susidarymas
Sporogeninės zonos susidarymas prasideda sutankinus citoplazmos plotą, kuriame yra nukleotidas (prospora).Sporogeninės zonos izoliacija vyksta citoplazminės membranos pagalba, kuri pradeda augti ląstelės viduje.
Prosporų ir ginčų formavimas
Žievė susidaro tarp vidinio ir išorinio membranos sluoksnių. Vienas iš jo komponentų yra dipikolino rūgštis, kuri lemia sporos atsparumą karščiui.
Membranos pusė, nukreipta į išorę, yra padengta membrana (exosporija). Jį sudaro baltymai, lipidai ir kiti junginiai, kurių nėra vegetacinėje ląstelėje. Korpusas storas ir laisvas. Jis yra hidrofobinis.
Sporų brendimas
Sporų brendimo laikotarpiu baigiasi visų jos struktūrų formavimasis. Sporos tampa atsparios karščiui. Jis turi specifinę formą ir ląstelėje užima ypatingą vietą. Sporoms visiškai subrendus, įvyksta ląstelių autolizė.
Ryžiai. 4. Nuotraukoje matyti susiformavusi spora, kurios pakraštyje yra citoplazmos likučių.
Ryžiai. 5. Nuotraukoje kairėje matyti naujai susiformavusi spora (A), kurios pakraštyje yra citoplazmos likučių. Tada citoplazma miršta. Nuotraukoje dešinėje (B) pavaizduota laboratorijoje išgryninta spora.
Ryžiai. 6. Aukščiau esančioje nuotraukoje yra sporuliacijos etapai – nuo sporogeninės zonos susidarymo iki visiško ląstelių liekanų susidarymo ir lizės. Žemiau esančioje nuotraukoje pavaizduota spora su į juosteles panašiomis ataugomis. O yra jo išorinis apvalkalas, K yra žievė, C yra vidinė dalis.
Žievė
Žievė apsaugo sporas nuo fermentų, kuriuos ląstelė gamina dideliais kiekiais paskutinėje sporuliacijos stadijoje. Jų paskirtis – visiškai sunaikinti motininę vegetatyvinę ląstelę. Jei žievės nėra, bakterijų sporos lizuojamos. Cortex sudėtyje yra diaminopimelio rūgšties, kuri užtikrina šilumos stabilumą
Vidinė žievės pusė yra greta citoplazminės membranos vidinės pusės. Sporų dygimo metu žievė paverčiama vegetatyvinės ląstelės ląstelės sienele.
Sporos apvalkalas (exosporium)
Citoplazminės membranos pusė, nukreipta į išorę, sporuliacijos metu yra padengta membrana (exosporium). Jį sudaro baltymai, lipidai ir kiti junginiai, kurių nėra vegetacinėje ląstelėje. Korpusas storas ir laisvas. Sudaro apie 50% pačios sporos tūrio. Jis yra hidrofobinis. Išorinė sporos sienelė yra atspari fermentams. Jis apsaugo sporas nuo priešlaikinio sudygimo.
Ryžiai. 7. Nuotraukoje pavaizduota spora su ataugomis. Jo šerdis yra ilsintis vegetatyvinė ląstelė.
Augimas ant sporų
Ant kai kurių sporų sporuliacijos metu susidaro ataugos. Jie yra įvairūs ir specifiniai. Ši charakteristika yra paveldima ir pastovi kiekvienai bakterijai. Sporų ataugas daugiausia sudaro baltymai. Baltymų aminorūgštys yra panašios į keratino ir kolageno aminorūgštis. Ataugų ant sporų funkcija dar nėra iki galo išaiškinta.
Ryžiai. 8. Ataugų ant sporų tipai: žvyneliai, vamzdeliai, šepečio formos pagaliukai, platūs kaspinai, spygliukai, smeigtukai, elnio ragų pavidalo.
Ryžiai. 9. Nuotraukoje pavaizduotos Clostridium genties bakterijų sporos. Ataugos vamzdelių pavidalo (1 ir 5), ataugos žvynelių pavidalo (2), juostelės formos ataugos (3), plunksninės ataugos (4), sporos su spygliais paviršiuje (6).
Sporuliacijos proceso metu sporos yra padengtos membranomis - išoriniu apvalkalu ir žieve. Jie apsaugo sporas nuo nepalankių aplinkos sąlygų.
Žievė sudėtyje yra diaminopimelio rūgšties, kuri yra atsakinga už terminį stabilumą. Išorinis apvalkalas apsaugo sporas nuo priešlaikinio dygimo ir neigiamų aplinkos veiksnių.
Į sporas panašios būsenos bakterija yra atspari aukštai aplinkos temperatūrai ir džiūvimui. Jis gali išgyventi tirpaluose, kuriuose yra daug druskos, ištverti ilgalaikį virimą ir užšalimą, radiaciją ir vakuumą bei ultravioletinę spinduliuotę. Sporos pasižymi atsparumu daugeliui toksinių medžiagų ir dezinfekavimo priemonių.
Patogeninių bakterijų sporų išlikimas išorinėje aplinkoje prisideda prie infekcijos išlikimo ir sunkių infekcinių ligų vystymosi.
Bakterijų sporos yra ovalios ir sferinės formos. Jie gali būti ląstelės galuose (stabligės sukėlėjai), arčiau centro (botulizmo ir dujų gangrenos sukėlėjai) arba centrinėje ląstelės dalyje (juodligės bacila). Rečiau bakterijų sporos išsidėsčiusios šonuose.
Ryžiai. 10. Nuotraukoje pavaizduotos C. difficile ir Clostridium tetani galinės endosporos.
Ryžiai. 11. Nuotraukoje pavaizduotos centre esančios bakterijos Bacillus cereus sporos.
Ryžiai. 12. Nuotraukoje parodyta Bacillus subtilis bakterijos sporos galinė vieta.
Clostridium ir Bacillus genties sporoms sporuliuojant susidaro kepurėlės. Jie turi kūgio arba pusmėnulio formą ir ląstelinę struktūrą. Ląstelės primena maišelius, užpildytus dujine medžiaga. Jie yra lazdelių arba ovalo formos. Ląstelės padeda sporoms išlikti plūduriuojančiai vandenyje. Net ir centrifuguojant, uždengtų sporų negalima nusodinti. Sporų kepurėlės susidaro hidromorfinių dirvožemių dirvožemio bakterijose, kurios susidarė stovinčio paviršinio vandens sąlygomis arba esant gruntiniam vandeniui.
Ryžiai. 13. Nuotraukoje sporų kepurėlės kūgio formos (kairėje) ir pusmėnulio formos (dešinėje).
Ryžiai. 14. Nuotraukoje pavaizduota bakterijos sporos kepurėlės sandara. Matomos atskiros ovalo formos dujų ląstelės (vakuolės, maišeliai).
Tokios bakterijos kaip B.anthracis (judligės sukėlėjas) ir B.cereus (toksinių infekcijų sukėlėjas) formuojasi parasporų kūnus. B. anthracis šie dariniai yra apvalios formos, išsidėstę sporų paviršiuje arba pavieniai. Bacillus thuringiensis turi parasporų kūnus bipiramidinių baltymų kristalų pavidalu. Kristalai yra toksiški vikšrams, vabzdžiams ir nematodų lervoms, dygliukams ir uodams. Endotoksino genas naudojamas augalų bioapsaugai.
Atsidūrusi palankiomis sąlygomis, sporos pradeda dygti į vegetatyvinę ląstelę. Dygimo procesas trunka 4 - 5 valandas.
Aktyvinimo procesas
Dygimą skatina kaitinimas, gliukozė, aminorūgštys, tam tikrų medžiagų jonai ir mechaniniai sporos sienelės pažeidimai.
Iniciacijos procesas
Iniciacijos procesas prasideda genomo derepresija. Suaktyvėja kvėpavimo procesai ir fermentų sistemos. Iš ląstelės pašalinama dipikolino rūgštis ir kalcio jonai, sunaikinama žievė. Ginčo metu vandens kiekis didėja. Dėl visų šių pokyčių prarandamos sporos savybės, tokios kaip terminis stabilumas, atsparumas spinduliuotei ir cheminėms medžiagoms. Išskirtinis šio proceso bruožas yra sporų šviesos refrakcijos kiekio sumažėjimas.
Pats dygimo procesas
Iš sporos pradeda dygti gemalo vamzdelis, sunaikindamas jos apvalkalą. Susidaro ląstelės membrana. Dygimo procesus reguliuoja nemažai specialių medžiagų – daigų. Kai sporos baigia sudygti, ląstelė pradeda dalytis.
Ryžiai. 16. Nuotraukoje pavaizduota bakterijos ląstelė, kuri sudygus sporai pradeda dalytis.
Sporuliacija tarnauja siekiant išsaugoti bakterijų rūšis. Bakterijų sporos yra neįprastai stabilios išorinėje aplinkoje, todėl mokslininkai pradėjo intensyvius šio proceso tyrimus daugelyje pasaulio šalių.
